Wasserstoff
In der Vergangenheit gab es mehrere Wellen des Interesses an Wasserstoff. Diese wurden hauptsächlich durch Ölpreisschocks, Bedenken hinsichtlich der Spitzenölnachfrage oder Luftverschmutzung sowie der Forschung zu alternativen Kraftstoffen getrieben. Wasserstoff kann zur Energiesicherheit beitragen, indem er einen anderen Energieträger mit unterschiedlichen Lieferketten, Erzeugern und Märkten bereitstellt; Dies kann den Energiemix diversifizieren und die Widerstandsfähigkeit des Systems verbessern. Wasserstoff kann auch die Luftverschmutzung reduzieren, wenn er in Brennstoffzellen verwendet wird, ohne andere Emissionen als Wasser. Es kann das Wirtschaftswachstum und die Schaffung von Arbeitsplätzen fördern, da hohe Investitionen erforderlich sind, um es als Energieträger aus einem industriellen Rohstoff zu entwickeln.
Die Energiewende erfordert eine starke Verlagerung der Stromerzeugung von fossilen Brennstoffen hin zu erneuerbaren Quellen wie Sonne und Wind, eine höhere Energieeffizienz und die weit verbreitete Elektrifizierung der Energienutzung von Autos bis hin zum Heizen und Kühlen in Gebäuden.
Grüner Wasserstoff stellt eine Verbindung zwischen wachsender und nachhaltiger erneuerbarer Stromerzeugung und den schwer zu elektrifizierenden Sektoren her. Wasserstoff im Allgemeinen ist ein geeigneter Energieträger für Anwendungen abseits von Stromnetzen oder die eine hohe Energiedichte erfordern, und kann als Ausgangsstoff für chemische Reaktionen zur Herstellung einer Reihe von synthetischen Kraft- und Ausgangsstoffen dienen.
Zu den weiteren Vorteilen von grünem Wasserstoff gehören: das Potenzial für zusätzliche Systemflexibilität und -speicherung, die den weiteren Einsatz von variablen erneuerbaren Energien (VRE) unterstützen; Beitrag zur Energiesicherheit; reduzierte Luftverschmutzung; und andere sozioökonomische Vorteile wie Wirtschaftswachstum und Schaffung von Arbeitsplätzen sowie industrielle Wettbewerbsfähigkeit.
Grüner Wasserstoff ist ein vielseitig einsetzbarer Energieträger (Abbildung 1). Der tatsächliche Einsatz ist jedoch noch sehr begrenzt. Jährlich werden weltweit rund 120 Millionen Tonnen Wasserstoff produziert, davon zwei Drittel reiner Wasserstoff und ein Drittel im Gemisch mit anderen Gasen. Die Wasserstoffproduktion wird hauptsächlich für die Rohölraffination sowie für die Ammoniak- und Methanolsynthese verwendet, die zusammen fast 75 % des kombinierten reinen und gemischten Wasserstoffbedarfs darstellen.
Die heutige Wasserstoffproduktion basiert hauptsächlich auf Erdgas und Kohle, die zusammen 95 % der Produktion ausmachen. Bei der Elektrolyse entstehen rund 5 % des weltweiten Wasserstoffs als Nebenprodukt der Chlorproduktion.
Zahl 1, Produktion, Umwandlung und Endverwendung von grünem Wasserstoff im gesamten Energiesystem
Wasserstoff kann mit mehreren Verfahren und Energiequellen hergestellt werden; eine Farbcode-Nomenklatur wird immer häufiger verwendet, um die Diskussion zu erleichtern (Abbildung 2).
Zahl 2 Ausgewählte Nuancen von Wasserstoff
Grüner Wasserstoff konkurriert sowohl mit fossilen Brennstoffen als auch mit anderen Wasserstofffarben. Daher ist es wichtig, die Faktoren zu verstehen, die die Kosten von grünem Wasserstoff bestimmen.
Die Produktionskosten von grünem Wasserstoff hängen von den Investitionskosten der Elektrolyseure, ihrem Kapazitätsfaktor, der ein Maß für die tatsächliche Nutzung des Elektrolyseurs ist, und den Kosten für Strom aus erneuerbarer Energie ab.
Bis 2020 betragen die Investitionskosten für einen alkalischen Elektrolyseur etwa 750-800 USD pro Kilowatt (kW). Wenn der Kapazitätsfaktor der Anlage für grünen Wasserstoff niedrig ist, z. B. unter 10 % (weniger als 876 Volllaststunden pro Jahr), werden diese Investitionskosten auf wenige Wasserstoffeinheiten verteilt, was sich in Wasserstoffkosten von 5-6 USD/kg . niederschlägt oder höher, auch wenn der Elektrolyseur mit Null-Preis-Strom betrieben wird. Im Vergleich dazu liegen die Kosten für grauen Wasserstoff bei ca. 1-2 USD/kg Wasserstoff (bei einer Preisspanne von Erdgas von ca. 1,9 – 5,5 USD pro Gigajoule [GJ]). Bei höheren Auslastungsfaktoren tragen die Investitionskosten jedoch weniger zu den Kosten für grünen Wasserstoff pro kg bei. Daher sinkt mit steigendem Auslastungsfaktor der Anlage der Beitrag der Elektrolyseur-Investitionskosten zu den endgültigen Wasserstoffproduktionskosten pro kg und der Strompreis wird zu einer relevanteren Kostenkomponente.
Bei einem gegebenen Strompreis hängt der Stromanteil in den Endkosten von Wasserstoff von der Effizienz des Prozesses ab. Bei einem Elektrolyseurwirkungsgrad von 0,65 und einem Strompreis von 20 USD pro Megawattstunde (MWh) würde der Stromanteil der Gesamtkosten beispielsweise bis zu 30 USD/MWh Wasserstoff betragen, was 1 USD/kg entspricht.
Bei den heute relativ hohen Elektrolyseurkosten wird kostengünstiger Strom (ca. 20 USD/MWh) benötigt, um grünen Wasserstoff zu Preisen vergleichbar mit grauem Wasserstoff zu produzieren. Ziel der Produzenten von grünem Wasserstoff ist es nun, diese Kosten mit unterschiedlichen Strategien zu senken (IRENA, in Vorbereitung). Sobald die Kosten für Elektrolyseure gesunken sind, wird es möglich sein, teureren erneuerbaren Strom zu verwenden, um kostengünstigen grünen Wasserstoff zu produzieren.
Der Transport von Wasserstoff verursacht zusätzliche Kosten. Die Transportkosten sind abhängig von der transportierten Menge, der Entfernung und dem Energieträger. Bei geringen Volumina betragen die Kosten für den Transport von komprimiertem Wasserstoff über 1.000 km in einem Lkw etwa 3,5 USD/kg. Bei großen Mengen ist der Versand von grünem Ammoniak die kostengünstigste Option und fügt nur 0,15 USD/kg Wasserstoff hinzu (ohne Berücksichtigung der Umwandlungskosten, d. h. des Crackens). Ähnlich niedrige Kosten lassen sich mit großen Pipelines (rund 2.000 Tonnen pro Tag) auf kurzen Distanzen erzielen. Der Wasserstofftransport per Pipeline kann ein Zehntel der Kosten für den Transport der gleichen Energie wie Strom ausmachen.
Kosten und Leistung sind heute nicht für alle Elektrolyseurtechnologien gleich (siehe Tabelle 1). Alkalische und PEM-Elektrolyseure sind die fortschrittlichsten und bereits kommerziell, wobei jede Technologie ihren eigenen Wettbewerbsvorteil hat. Alkalische Elektrolyseure haben die niedrigsten Installationskosten, während PEM-Elektrolyseure einen viel kleineren Platzbedarf haben, kombiniert mit einer höheren Stromdichte und einem höheren Ausgangsdruck. Festoxid hat den höchsten elektrischen Wirkungsgrad. Da der Zellenstapel nur einen Teil der Grundfläche der Elektrolyseuranlage ausmacht, bedeutet eine um etwa 60 % reduzierte Stack-Fußabdruckfläche für PEM im Vergleich zu alkalischen Produkten eine Reduzierung der Standfläche der Anlage um 20 % bis 24 % bei einer geschätzten Grundfläche von 8 Hektar (ha). -13 ha für eine 1-GW-Anlage mit PEM, im Vergleich zu 10 ha bis 17 ha mit Alkali. Es wird erwartet, dass sich Kosten- und Leistungslücken im Laufe der Zeit verkleinern, da Innovationen und der Masseneinsatz verschiedener Elektrolysetechnologien die Konvergenz zu ähnlichen Kosten vorantreiben.
Tabelle 1, Leistungskennzahlen für vier Elektrolyseurtechnologien heute und im Jahr 2050.
Der Elektrolyseur besteht aus dem Stack (wo die eigentliche Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff stattfindet) und der Bilanz der Anlage, die Energieversorgung, Wasserversorgung und -reinigung, Verdichtung, ggf. Strom und Wasserstoffpuffer und Wasserstoffaufbereitung umfasst. Beide Komponenten sind für die Kosten wichtig, da sie ähnliche Kostenanteile haben. Das größte Potenzial für kurzfristige Kostensenkungen liegt in dieser Bilanz der Anlage, während RD&D erforderlich ist, um die Stackkosten zu senken und deren Leistung und Haltbarkeit zu erhöhen, da die Kompromisse zwischen diesen signifikant sind.
Die Flexibilität von Alkali- und PEM-Stacks reicht aus, um Schwankungen von Wind und Sonne zu folgen. Die Flexibilität des Systems wird jedoch eher durch das Gleichgewicht der Anlage (z. B. die Kompressoren) als durch den Stapel begrenzt. Darüber hinaus ist Flexibilität in den beteiligten sehr kurzfristigen Zeitskalen (d. h. im Sekundenbereich) nicht das entscheidende Wertversprechen für Elektrolyseure, da ihr wesentlicher Systemwert in der Massenspeicherung von Energie liegt. Dies entkoppelt die Variabilität der Erzeugung von der Stabilität von Wasserstoff und Strom zum X (PtX)-Bedarf durch Wasserstoffspeicherung in Gasinfrastruktur (z.
Es gibt keine Elektrolyseurtechnologie, die in allen Dimensionen besser abschneidet. Der zukünftige Technologiemix wird von Innovation und Wettbewerb zwischen Schlüsseltechnologien und Herstellern abhängen, was zu technologischen Verbesserungen und einer besseren Anpassung an verschiedene Technologien und Systemdesigns in jeder spezifischen Anwendung führt.
Wasser- und Landnutzung stellen keine Hindernisse für die Skalierung dar. An Orten mit Wasserknappheit sollte die Wasserquelle für die Wasserstoffproduktion explizit in den Strategien berücksichtigt und in der Projektplanung weiter ausgearbeitet werden. Wenn Zugang zu Meerwasser verfügbar ist, kann die Entsalzung mit begrenzten Auswirkungen auf Kosten und Effizienz genutzt werden, wobei möglicherweise Mehrzweck-Entsalzungsanlagen eingesetzt werden, um lokale Vorteile zu erzielen. Eine 1-GW-Anlage könnte etwa 0,17 Quadratkilometer (km2) Land belegen, was bedeutet, dass 1000 GW Elektrolyse eine Fläche einnehmen würden, die Manhattan (New York) entspricht.
Wasserelektrolyseure sind elektrochemische Geräte, die verwendet werden, um Wassermoleküle durch Durchleiten von elektrischem Strom in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Sie lassen sich in drei Ebenen unterteilen (siehe Abbildung 4):
Die Zelle ist das Herzstück des Elektrolyseurs und hier findet der elektrochemische Prozess statt. Es besteht aus zwei Elektroden (Anode und Kathode), die in einen flüssigen Elektrolyten eingetaucht sind oder an eine Festelektrolytmembran angrenzen, zwei poröse Transportschichten (die den Transport von Reaktanten und die Entfernung von Produkten erleichtern) und die Bipolarplatten, die eine mechanische Unterstützung bieten und den Strom verteilen.
Der Stack hat einen breiteren Anwendungsbereich, der mehrere in Reihe geschaltete Zellen, Abstandshalter (Isoliermaterial zwischen zwei gegenüberliegenden Elektroden), Dichtungen, Rahmen (mechanische Unterstützung) und Endplatten (um Lecks zu vermeiden und Flüssigkeiten aufzufangen) umfasst.
Die Systemebene (oder Bilanz der Anlage) geht über den Stack hinaus und umfasst Einrichtungen zur Kühlung, Aufbereitung des Wasserstoffs (zB zur Reinheit und Verdichtung), Umwandlung des Stromeinsatzes (zB Transformator und Gleichrichter), Aufbereitung der Wasserversorgung (zB Deionisation) und Gasabgabe (zB von Sauerstoff).
Gereinigtes Wasser wird über Umwälzpumpen oder auch durch Schwerkraft in das System eingespeist. Das Wasser gelangt dann zu den Elektroden, indem es durch die Bipolarplatten und durch die porösen Transportschichten fließt. An der Elektrode wird das Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff gespalten, wobei Ionen (typischerweise H+ oder OH-) einen flüssigen oder festen Membranelektrolyten durchqueren. Die Membran bzw. das Diaphragma zwischen beiden Elektroden ist auch dafür verantwortlich, die entstehenden Gase (Wasserstoff und Sauerstoff) getrennt zu halten und deren Vermischung zu vermeiden. Dieses allgemeine Prinzip ist seit Jahrhunderten gleich geblieben, aber die Technologie hat sich weiterentwickelt, seit William Nicholson und Anthony Carlisle sie im Jahr 1800 entwickelt haben.
Zahl 3, Grundkomponenten von Wasserelektrolyseuren auf verschiedenen Ebenen
ELEKTROLYSERTECHNOLOGIEN
Das Prinzip der Wasserelektrolyse ist einfach, erlaubt jedoch den Bau unterschiedlicher technologischer Varianten auf Basis unterschiedlicher physikalisch-chemischer und elektrochemischer Aspekte. Elektrolyseure werden typischerweise in vier Haupttechnologien unterteilt. Diese werden nach Elektrolyt und Betriebstemperatur unterschieden, was wiederum die Auswahl verschiedener Materialien und Komponenten leitet.Die Prinzipien aller kommerziell erhältlichen Typen von Elektrolysezellen sind in Abbildung 6 dargestellt. Innerhalb jeder Technologie gibt es viele Variationen, wobei die radikalsten Unterschiede im Zelldesign, innerhalb der Komponenten und im Reifegrad der Technologie liegen.
Festoxid- und Anionenaustauschermembranen (AEM) haben ein hohes Potenzial, sind jedoch viel weniger ausgereifte Technologien, an deren Herstellung und Vermarktung nur wenige Unternehmen und Originalgerätehersteller (OEMs) beteiligt sind. Diese sind meist in Europa ansässig.
Es gibt vier Arten von Elektrolyseuren: Alkali- und Polymerelektrolytmembranen (PEM) sind bereits kommerziell, während Anionenaustauschermembranen (AEM) und Festoxid, jetzt im Labormaßstab, einen großen Schritt nach vorn versprechen
Zahl 4, Verschiedene Arten von kommerziell erhältlichen Elektrolysetechnologien.
Tabelle 2 fasst die Betriebsbedingungen und die wichtigsten Komponenten für die vier Elektrolyseurtypen zusammen. Die farbigen Zellen repräsentieren Bedingungen oder Komponenten mit erheblichen Abweichungen von verschiedenen Herstellern oder F&E-Institutionen. In dieser Hinsicht gibt es auch ein Gefühl für die weniger ausgereiften Technologien, was für die AEM- und Festoxid-Typen klar ist.
Wassernutzung für die Produktion von grünem Wasserstoff
Bei der Produktion von grünem Wasserstoff wird Wasser als Hauptrohstoff und erneuerbarer Strom als Energiequelle verwendet, um in einem Elektrolyseur Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser zu trennen.Wasser, so rein wie möglich, ist daher ein wichtiger Input. Während der erforderliche Reinheitsgrad je nach Technologie variiert, sind die Kosten für die Wasserreinigung marginal, ausgehend von entsalztem Meerwasser (deutlich unter 1 USD/Kubikmeter (m3) Wasser). Verunreinigungen im Wasser haben jedoch einen großen Einfluss auf die Lebensdauer des Elektrolyseurstapels, was sich wiederum auf die Wasserstoffkosten auswirken kann, indem die Annuität des Elektrolyseurs an den Wasserstoffkosten erhöht wird. Neben den Entsalzungskosten verursacht die notwendige Wasseraufbereitung im Elektrolyseur-Stack zusätzliche Kosten (z. B. Entionisierer). Diese können je nach erforderlichem Reinheitsgrad potenziell signifikant werden, haben jedoch immer noch einen geringen Einfluss auf die Gesamtkosten von Wasserstoff, da sie im Allgemeinen bei etwa USD1/m3 oder unter 0,01 USD/kg H2 bleiben.
Der Wasserverbrauch ist kein Hindernis für den Ausbau der Elektrolyse. Selbst an Orten mit Wasserknappheit kann die Meerwasserentsalzung mit begrenzten Kosten- oder Effizienzeinbußen eingesetzt werden
Rein stöchiometrisch betrachtet benötigt 1 kg Wasserstoff 9 kg Wasser als Input. Aufgrund einiger Ineffizienzen im Prozess kann jedoch unter Berücksichtigung des Prozesses der Wasserentsalzung bei einem typischen Wasserverbrauch das Verhältnis zwischen 18 kg und 24 kg Wasser pro Kilo Wasserstoff liegen. Der größte Wasserverbrauch liegt tatsächlich stromaufwärts und er ist am höchsten, wenn der Elektrolyseur mit PV gekoppelt ist. Der Wasserverbrauch für grünen Wasserstoff aus PV kann je nach Sonneneinstrahlung, Lebensdauer und Siliziumgehalt zwischen 22 und 126 kg Wasser pro kg Wasserstoff schwanken. Die Wasserknappheit ist sehr spezifisch für eine Region, da sie den Wasserverbrauch mit der Wasserauffüllung in der Region vergleicht. Daher sind lokale Folgenabschätzungen erforderlich, wenn in wasserarmen Regionen Wasserstoff produziert wird. Eine der Methoden zur Bewertung der Auswirkungen der Wassernutzung auf Midpoint-Ebene ist die Available WAter REmaining (AWARE)-Methode, die von einer Arbeitsgruppe der UNEP-SETAC Life Cycle Initiative entwickelt wurde.
Im Hinblick auf die Auswirkungen der Wasserstoffproduktion auf die Wasserverfügbarkeit ist dies offensichtlich kein Thema, solange davon ausgegangen wird, dass entsalztes Meerwasser verwendet wird. Wenn Süßwasser die bevorzugte Wasserquelle ist, kann ein Vergleich mit dem aktuellen Frischwasserverbrauch für thermische Kraftwerke gezogen werden. Betrachtet man einen sehr großen 1-GW-Elektrolyseur, der mit einem Wirkungsgrad von 75% für 8.000 Stunden pro Jahr betrieben wird, würde die jährliche Wasserstoffproduktion 0,15 Millionen Tonnen Wasserstoff und 3 Millionen Tonnen Wasser betragen (bei einem angenommenen Wasserverbrauch von 20 kg pro Kilo Wasserstoff). . Dies entspricht dem Wasserverbrauch einer Kleinstadt (ca. 70 000 Einwohner) mit einem Verbrauch von 45 m³ pro Einwohner. Ob dies akzeptabel ist, hängt von der Wasserverfügbarkeit am Standort der Anlage ab, wobei die Entsalzung eine wichtige Option für die Auslegung der Anlage bleibt, insbesondere in wasserarmen Regionen. Die Wasserquelle für die großmaßstäbliche Wasserstoffproduktion sollte in Wasserstoffstrategien explizit berücksichtigt werden, da die Mengen für wasserarme Regionen von Bedeutung sein könnten. Die Entsalzung kann jedoch gemeinsam für die Wasserstofferzeugung sowie für andere Zwecke (z.
Für die erwarteten 19 Exajoule (EJ) grünen Wasserstoffs (ca. 160 Megatonnen [Mt]) im Transforming Energy Scenario des IRENA Global Renewables Outlook würden wir im Jahr 2050 rund 3 Mrd. m3 Wasser pro Jahr benötigen. Das sind 0,08 % von den aktuellen weltweiten Süßwasserverbrauch. Da Süßwasser für eine Vielzahl von nichtenergetischen Anwendungen (zB Landwirtschaft) verwendet wird, ist ein besserer Vergleich der aktuelle Verbrauch von Wärmekraftwerken, der deutlich höher ist: zum Beispiel der geschätzte Wasserverbrauch von Wärmekraftwerken in den USA in der Referenzfall 2030 betrug 5,8 Mrd. m3. Selbst für ehrgeizigere Szenarien, in denen die Dekarbonisierung schneller erfolgt und Wasserstoff eine größere Rolle spielt, wäre der Gesamtwasserbedarf im Vergleich zum weltweiten Wasserverbrauch relativ gering. Darüber hinaus erzeugt jeder produzierte grüne Wasserstoff, der in Brennstoffzellen zu Transportzwecken oder schließlich zur Wiederelektrifizierung verwendet wird, ultrareines Wasser, das, wenn wirtschaftlich vertretbar, insbesondere in stationären Anwendungen, zurückgewonnen werden könnte.
Reinstwasserproduktion als Elektrolyseur-Speisewasser für grünen Wasserstoff